[发明专利]一种具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料及其制备方法与应用，首先通过化学气相沉积法制得三维泡沫石墨烯一级结构，在所述的三维泡沫石墨烯一级结构上进一步热分解制得三维泡沫石墨烯/一维碳纳米管二级结构，在所述的三维泡沫石墨烯/一维碳纳米管二级结构上进一步原子层沉积制得三维泡沫石墨烯/一维碳纳米管/二维二硫化钼三级结构。本发明提供的复合材料，具有超轻质量、高活性，可应用于锂氧气电池正极材料，使其同时具有高比容量、高充放电效率、长循环寿命，解决了现有锂氧气电池实际应用存在的关键问题。

技术领域

本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着二次电池广泛应用于日常生活各领域，具有高能量密度的新型二次电池的研究日益引起人们的关注。在现有的二次电池体系中，锂氧气电池具有最高的理论能量密度。然而目前锂氧气电池使用的正极材料性能较差，存在实际比容量低、充放电效率低、循环性能差等问题，严重影响其市场推广。

传统锂氧气电池正极材料主要包括碳材料、非碳材料两大类。碳材料如Super P、石墨烯、碳纳米管等具有较好的ORR活性和质量轻的优势，故其应用于锂氧气电池正极时，具有较高的放电比容量。但碳材料在充放电过程中不稳定，容易和电解液、放电产物及其中间体发生副反应，生成碳酸锂等绝缘性的副产物，进而降低了锂氧气电池的充放电效率和循环寿命。而非碳材料如氧化物、贵金属等具有较好的OER催化活性，故其应用于锂氧气电池正极时，具有较高的充放电效率和循环寿命。但非碳材料存在质量较重、价格昂贵、导电性较差等问题，且其比表面远不如碳材料，进而降低了锂氧气电池的比容量。

现有研究主要集中在利用碳材料和非碳材料的优势，将两者混合，制备混合正极，但简单的混合只能导致牺牲比容量或牺牲充放电效率与循环寿命，不能同时实现高比容量、高充放电效率和长循环寿命，制约了锂氧气电池的实际应用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料，其同时具有碳材料的高比表面和非碳材料的高催化活性。

本发明的目的之二是提供上述具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料的制备方法，步骤简单。

本发明的目的之三是提供上述具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料的应用。

为实现上述目的，本发明的一种具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料，该复合材料包括化学气相沉积的三维泡沫石墨烯一级结构，在所述的三维泡沫石墨烯一级结构上原位生长有一维碳纳米管二级结构，在所述的一维碳纳米管二级结构上包覆有二维二硫化钼三级结构。

碳基材料组成的一级和二级结构决定了此复合材料具有高比表面，非碳材料二硫化钼组成的三级结构决定了此复合材料具有高催化活性。碳纳米管在三维泡沫石墨烯一级结构上原位生长，确保了三维骨架结构的完整性，三级结构的二维二硫化钼覆盖于碳材料表面，保护了碳材料，解决了碳材料的不稳定问题，且二硫化钼三级结构只有几个原子厚度，克服了非碳材料质量较重、价格昂贵、导电性差的缺陷。

上述具有三级结构的泡沫石墨烯/碳纳米管/二硫化钼复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备三维泡沫石墨烯一级结构

将泡沫金属模板置于化学气相沉积装置中，通入含有碳源的载气，在900℃～1000℃条件下进行碳源化学气相沉积5min～30min，然后用质量百分含量为5％～10％的稀盐酸浸泡20h～24h，取出并用去离子水清洗数次，刻蚀掉模板，即制得三维泡沫石墨烯一级结构；

(2)制备三维泡沫石墨烯/一维碳纳米管二级结构